10kV防误挂接地线声光告警装置的研制

知识点：告警装置

一、实施背景

（一）选择课题

1、提出问题

1）变电站停电检修一直是维护设备安全运行、保障居民生活和企业生产稳定用电的常用手段。停电检修时，为防止突然来电或感应电触电等不安全情况发生，必须在工作间隔挂设接地线进行短路。装设接地线流程分析如图1所示。正常情况下挂设接地线的时间在2分钟—5分钟之间。

图1 挂设接地线流程图

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然而变电站停送电时间短，现场情况复杂，防止接地线误挂成为工作现场必须注意的问题。接地线的使用不同于接地刀闸，接地刀闸有五防闭锁装置把关，现有的微机闭锁装置还不能对接地线进行有效的实时检测跟踪管理，所以只有通过验电这一手段避免接地线误挂的问题。然而一些运维人员并没有对验电引起足够的重视，这就为安全生产埋下了隐患。

2）案例分析

案例一：1997年3月17日14时01分××牵引变电所值班员接电调256#倒闸作业命令对212开关进行停电倒闸作业，14时02分在倒闸时误将4号馈线214开关断开，但在外出挂接地线时仍将地线挂到212开关馈出线上，造成212开关距离Ⅰ、Ⅱ段动作，严重危及人身安全。分析原因可知，值班员与助理值班人员对倒闸作业命令不清楚，倒闸作业时错认停电回路，且验电接地程序错误，未验电而直接将地线挂接在带电侧，造成了本次事故的发生。

案例二：2005年4月5日，湖北武汉供电公司220kV花山变电站110kV花石线花32开关停电检修，运维人员将验电操作完成后，即按照操作规程挂设接地线，未料此时线路突然送电，造成带电挂设接地线，线路保护动作跳闸。如果在装设地线的前一刻能反映线路带电，就可以避免此次事故发生了。

结论：防止接地线误挂是保证安全的关键。

3）装设接地线工作调查

小组对2015年10月到12月期间班组所辖变电站内装设接地线情况进行了统计，如表1所示。

表1  2015年10月-12月装设接地线情况

装设接地线数目/组	10kV	35kV	110kV
10月	32	3	17
11月	29	5	14
12月	35	3	19
合计	96	11	50

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图2 2015年10月-12月装设接地线情况

制图时间：制图人：

结论：从图2可以看出，10kV装设接地线的任务量大，占总体装设接地线任务的61.15%。

2、提出观点

为了确保工作安全，实现停电检修工作的双重保护，QC小组提出构想：能否在已经进行验电的基础上，在装设地线时将验电功能与接地线合二为一，一旦将要发生带电接地就告警提醒，从而避免一些突发情况引起设备带电，造成接地线误挂。由于10kV接地线挂设占本班组大量的工作任务，如何解决就成了我们的首要任务。

因此，本课题的重点是在挂设接地线的同时进行验电检查，从而实现双重保护。

3、课题查新

在确定课题前，小组成员利用中国知网，IEEE期刊网、中国学术期刊网、维普资讯等文献数据库进行了相关文献搜索，检索词如下：防误挂地线，声光报警，验电装置，检索出5篇类似文献，分别为《接地线声光报警装置的研制与应用》，《一种非接触验电方法的设计与实验》，《35kV高压验电器的数显改进与开发》、《验电报警接地挂钩》和《智能语音报警短路接地线》。

其中《一种非接触验电方法的设计与实验》是针对35kV的线路进行验电，它能够通过感应垂直于线路的场强分量判断线路是否带电，实现准确安全验电。这种远距离无接触的验电装置对我们的研究有参考作用。与此项研究不同的是，我们是针对10kV的线路进行验电。

其中《接地线声光报警装置的研制与应用》是在各电压等级的接地线上加装一种报警装置，在工作即将结束需进行接地线拆除工作时，发生声音和闪光两种报警信号，有效提醒接地线的存在。这种声光报警装置对我们的研究有参考作用，此项研究是对防止接地线漏拆进行告警，而我们是对防止接地线误挂进行告警。

综合上述借鉴的课题，小组成员认为可以在此基础上实现检测报警的整合，并将其组合到现有的接地线挂设装置上。即通过监测的电场强度触发报警，启动对应的声光信号报警。

4、确定课题

10kV防误挂接地线声光告警装置的研制

（二）设定目标并进行目标量化分析

1、设定目标

使用改良后的防误挂接地线，用接地线靠近10kV带电设备时，在人体距离设备0.7m之外的一定范围内时（10kV最小安全距离为0.7m），告警率能达到100%。

2、目标可行性论证

《一种非接触验电方法的设计与实验》可以实现对2m距离内的设备进行准确验电，远大于0.7m。《接地线声光报警装置的研制与应用》只要输入控制达到触发值，报警准确率就可达到100%。借鉴这些思路，考虑到QC小组成员的技术水平，课题目标具有可行性。

小组成员既有高学历的不同专业硕士研究生，以及大学创新能手；又有有丰富现场实践经验的运行检修人员；公司创新实践室能提供实践场地；同时，本小组在近几年成果研制中也体现出相应的理论和动手能力。

（三）提出各种方案并确定最佳方案

1、研制难点

经过小组讨论，确定研制防误挂声光装置的难点有三：

难点一：如何实现无接触验电。

难点二：如何使检验到的带电信号与声光告警装置合理匹配。

难点三：如何与接地装置组合并实现安全隔离。

为此，根据技术难点，QC小组提出以下创新方案，通过实验比选确定最终的研究方案。

2、方案提出及选择

基于上述总体思路及研制难点，小组对方案分解如下，如图3所示：

图3 方案分解图

制图时间：制图人：

（1） 验电方案

实验依据：

小组根据调查，通常电路均会产生电场强度。出于安全考虑，实验中使用1kV带电导线进行验证，与实际应用中10kV带电导线对比如表2。从表中可见，控制1kV带电导线的距离与10kV带电导线距离的电场强度一致，实验可以真实反映现场实际。

表2  1kV带电导线与10kV带电导线电场强度对照表

电场强度kV/m	8	10	15	20	40
1kV带电导线距离/cm	12.5	10	6.7	5	2.5
10kV带电导线距离/cm	125	100	67	50	25

制表时间：  制表人：

方案及验证：

方案需求	防误挂装置的核心，在不接触带电设备的条件下，安全范围内判断验电准确。
可选方案	方案分解如图4所示。 图4 验电方案分解 制图时间：  制图人：
备选方案	方案一：感应电场传感电路	方案二：紫外传感电路
原理描述	依据高压电场理论，通过检测高压输电线路附近的电场来探测电路是否有电，并采用新型的高压电场感应装置采集电场信号，再将其转变为电信号。通过集成电路处理后控制声光报警。	高压设备放电时，其电晕脉冲中的日盲区紫外脉冲的强度和功率密度取决于其表面的电场强度，电场强度越大，紫外脉冲的功率密度越大，反之亦然。采用高灵敏度的紫外探头可以检测出高压设备电晕放电中的紫外脉冲，判断高压设备是否带电。
优点	技术成熟，原理简单，成本较低，体积小，重量轻，功耗小，便于携带。	感应距离长，可适用于农网和超高压设备，成本较高。
缺点	感应距离相对较短，不适用于农网。	操作复杂，体积较大。
成本	1.05元	19.9元
实验方法	图 5 验电实验电路图 制图时间：  制图人： 搭建两份如图5所示电路，M处分别用两种传感器替换，使用1kV带电导线分别靠近两种装置，检测输出端U01的电平高低。并依次做出对应的散点图。
考察指标	传感电路能否在安全范围内触发，使得U01达到报警电路的触发电平。
实验结果	实验结果如表3所示。 表3 验电实验结果 序号带电导线距离/cmM为感应电场传感器时U01处电平/VM为紫外传感器时U01处电平/V129.033.9522.58.367.02337.945.3943.57.522.84547.595.7964.57.373.15757.114.6385.56.896.58966.924.37106.56.536.291176.276.74127.55.885.451385.783.96148.55.563.761595.403.18169.55.245.9217105.076.011810.54.815.4419114.682.862011.54.333.1421123.854.632212.53.526.2523132.985.842413.52.495.1225142.345.652614.52.165.0727151.832.802815.51.356.5529161.272.593016.50.885.71 制表时间：  制表人：
实验分析 （散点图形分布分析）	图6 感应电场传感器实验结果 时间：2016.4.12制图：刘佳薇 从图6中可以看出，输出电平和与带电导线的距离呈现负相关，那是因为距离导线越近，感应电场越大。设定报警装置的触发电平为5V，可以看到在10cm范围内可触发下一级，10cm范围外不可触发，符合装置要求。（10cm相当于10kV的1m距离）	图7 紫外传感器实验结果 时间：2016.4.12制图：刘佳薇 从图7中可以看出，使用紫外传感器时，带电导线距离和输出电平是不相关的，在触发电平上下浮动，无法满足装置要求。
结论	采用	不采用

（2） 告警方案

检验到的带电信号与声光告警装置合理匹配就是使声光报警既能有效又不至于对人体造成伤害。为此小组对分贝对人耳造成的影响进行了调查，结果如表4所示。

表4 声音与人耳感受调查表

调查结论：以40-100分贝作为适宜告警的声音标准。

小组对声光告警功能实现进行了方案分解，从声告警装置、光告警装置两方面提出待选方案，并进行分析选择。

A.声模块报警方案选择

B.光模块告警方案选择

（3）强电隔离方案

声音大小/dB		人耳感受
0 －2 0		很静、几乎感觉不到
2 0 －4 0		分贝安静、犹如轻声絮语
4 0 －6 0		分贝一般.普通室内谈话
6 0 －7 0		分贝吵闹、有损神经
7 0 －9 0		分贝很吵、神经细胞受到破坏
9 0 －1 0 0		分贝 吵闹加剧、听力受损
1 0 0 －1 2 0		分贝难以忍受、呆一分钟即暂时致聋.
120分贝以上		极度聋或全聋
调查时间			调查人
调查方式	查阅相关医学资料		调查地点	图书馆、网络等

3．确定最佳方案

经过比选确定了如图18的最佳方案。

图18  最佳方案树图

制图时间：制图人：

二、主要做法

（一）制定对策表

经过小组成员的讨论分析，对于提出的方案，按5W1H原则制定对策表，如表10所示：

表10 对策表

方案需求	当验电模块判断设备带电后发出指示信号，声模块发声告警，声音应清晰可辩。
实验原理	在上一级验电方案的输出端输出控制电平后，通过一个电压电流转换模块，通过改变蜂鸣器和语音报警器的输入电流，对两种装置进行分贝测试。考虑到两者的工作电流和工作电压都相差较大，这里主要对两种装置的发声范围和发声状况做出评估。实验原理如图8。 图8 声模块实验原理 制图时间：               制图人：
可选方案	方案分解见图9。 图9 光模块方案分解 制图时间：               制图人：
方案	方案一：蜂鸣器	方案二：语音报警器
优点	体积小，价格低，使用方便	个性化设定语音内容，警示效果明显
缺点	声音单调	价格高
相关参数	型号HND-4216额定电压/V12.0额定电流/mA（max）12工作电压/V3~24工作温度/。C-20~+80	工作电压/V4.5工作电流/mA30工作温度/。C20~120
成本	1.25元	15元
实验结果（见表5）	表5 声模块实验结果 序号蜂鸣器语音报警器（备注：对应触发电平/V）输入电流/mA分贝/dB输入电流/mA分贝/dB10000 3.652 0 000 4.75 3 5 41920 5.02464210 24 5.565744 1126 5.94 6846 12 29 6.19794913  33 6.358105114386.64 9 11 5215426.8010 1254 16457.2211 135517477.4712 1457 18517.6313155719537.7514165820557.9615176121568.0116186222598.2217196523628.3418206624658.4519216825688.5120227126718.6921237427768.8322247728799.0823258329829.1924268530849.3625278631879.4226288932939.5427299033959.6328309234989.75293195351029.8830 329636 1059.97 制表时间：               制表人：
实验分析 （散点图分析）	图10  蜂鸣器实验结果 时间：2016.4.30制图人：刘佳薇 从图10中可以看出，（5mA）对应触发电平时即能启动报警，当输入电流不超过最大值时，蜂鸣器的发声在人类可以清楚辨识的范围内，同时不对人耳产生伤害。（40dB对应于触发电平）		图11  语音报警器实验结果 时间：2016.4.30制图人：刘佳薇 从图11中可以看出，在输入电流较小的情况下（对应触发电平时），语音报警器的声音太小，无法分辨。
结论	采用		不采用

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（二）按对策表实现

1、制作验电装置

2、制作告警装置

 3、制作强电隔离装置

 4、组装调试

（三）确认效果

1、应用前验证

1）在使用带有防误挂装置的接地线后，对装设接地线的流程进行了修订，流程对比见图27。

图27 活动前后挂设地线流程对比图

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2）验电告警装置加工完成后，安监部和运维检修部对其现场适用性，安全可靠性进行了监督试验，并确认可以在现场使用，如图28所示。

图28 安全检验报告

2、现场使用情况

2016年9月~11月，小组在所辖变电站倒闸操作过程中使用了装有验电告警装置的防误挂接地线，统计了验电装置的告警情况，如表21所示，在操作完成后还进行了安全检查，使用率达到了100%，人体与设备距离均大于0.7m，无一起误挂接地线操作。

表21 现场验证结果

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验电装置准确率达到了100%，实现了所设目标，如图29所示。

图29  目标值与实际值对比

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3、效益分析

三、实施成效

（一）标准化

经过近一年的活动，我们较好地完成了防误挂接地线的研制。为了巩固本次QC活动的成果，我们将活动实施方案及方法加以总结：

（二）总结与今后打算

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